«Хуже всего дело обстояло с мартышками, — вспоминал Хеглунд много лет спустя, — потому что они очень смышленые. Уставая от бесконечных повторений одного и того же эксперимента, они начинали вопить и повсюду носиться, делая всё что угодно, только не то, чего вы от них хотите. Потом они принимались гадить себе в ладони и метать в вас своими экскрементами. Наконец они просто физически атаковали вас. В ход шли зубы, ногти и всё прочее».
В итоге Хеглунд, Каванья и Чарльз Ричард Тейлор, гарвардский биолог, руководивший знаменитой Конкордской биостанцией, выявили две отличающиеся друг от друга схемы передвижения, позволяющие эффективно накапливать и расходовать энергию. Первая модель объясняла бег, вторая — ходьбу.
При беге пружинообразные сухожилия растягиваются в тот момент, когда нога ударяется о землю, и изменяют форму, чтобы накопить упругую (механическую) потенциальную энергию. Когда наша ступня отрывается от поверхности, сухожилия высвобождают эту накопленную энергию, словно резинка, и придают нам импульс, направленный вперед и вверх — и переходящий в наш следующий беговой шаг. «По сути, — объясняет Хеглунд, — при беге мы передвигаемся небольшими прыжками, словно баскетбольный мяч или пружинная ходуля "пого"».
Отметим, что при этом наши икроножные мышцы укорачиваются и удлиняются главным образом для того, чтобы менять жесткость системы, служа как бы регулятором громкости для ахиллесовых сухожилий. Чем жестче мышца, тем сильнее она натягивает сухожилие, а значит, тем большее напряжение к нему прикладывается. (Допустим, при пробежке нам попалась на пути лужа. Чтобы изменить длину шага, мы сгибаем ногу, делаем икроножную мышцу жестче, сжимаем сухожилие: это позволяет нам сделать короткий беговой шажок, после чего мы используем запасенную при этом энергию для того, чтобы перемахнуть через водную преграду.)
Эта же команда ученых выделила и другой тип движений, необходимый для ходьбы. Если при беге мы словно бы подпрыгиваем, как баскетбольный мяч, то при ходьбе наше тело сохраняет энергию скорее как качающийся маятник — еще одно рукотворное устройство, остроумно сконструированное для накопления и преобразования энергии. Точнее, при ходьбе наше тело действует как перевернутый маятник: туловище играет роль груза, закрепленного на нити, а нога играет роль собственно нити. Как и в случае обычного маятника, при ходьбе центр масс нашего тела то поднимается, то опускается, ускоряясь и замедляясь при каждом шаге. Нога при этом также совершает ритмические движения, расходуя энергию и теряя скорость, пока конечность идет вверх, преодолевая силу земного притяжения, и снова приобретая энергию, импульс и скорость на пути вниз, когда те же гравитационные силы, которые замедляли ее на пути вверх, толкают ее вперед. По оценкам Каваньи, этот силовой цикл, движимый гравитацией, обеспечивает до 60–65 % энергии, направляющей вперед каждый наш шаг при ходьбе, так что на долю мышц остается всего 35–40 %[8].
Работы Каваньи, Тейлора и Хеглунда позволили дать научное объяснение тому, чего не хватало старомодным протезам Хью Герра. В нормальной ноге сухожилия и мышцы тела образуют хитроумную сеть, способную передавать энергию туда-обратно, накапливать и высвобождать ее. Когда Герр ходил на своих безжизненных подпорках, не могло быть и речи о каких-то имеющихся в них мышцах или сухожилиях, которые захватывают и перерабатывают энергию: эти штуки просто висели на нем мертвым грузом. Разумеется, вскоре осознание этого факта сыграло важнейшую роль в усилиях Герра и его коллег по коренному преобразованию сферы дизайна протезов.
Однако, приступив к изучению основ биомеханики, Герр тут же задался еще одним вопросом: может ли он использовать эти открытия для того, чтобы еще лучше взбираться на вертикальные поверхности?
В один ясный день, года через два после завершения своих аспирантских штудий в МТИ, Герр добрался до знаменитого колорадского каньона Эльдорадо, расположенного близ Боулдера, в иззубренных предгорьях Скалистых гор. Он был в отпуске. На нем был облегающий спортивный костюм из черной лайкры. Его ляжки балансировали на паре коротеньких металлических стержней, прикрепленных к ступням младенческого размера. Но больше всего в его облачении бросалось в глаза то, что змеилось из флуоресцентной желтой скалолазной укладки, опоясывающей его тело.
8
В 80-е годы Хеглунд отправился в Кению, чтобы в полевых условиях заняться изучением крупных африканских животных (на которых частенько охотятся во время сафари). Однако наиболее интересные находки он сделал благодаря изучению местных женщин, способных переносить очень тяжелые грузы на голове. (Хеглунду пришла в голову мысль заняться такими исследованиями, когда однажды в обеденный перерыв несколько жен его местных лаборантов принесли еду для своих мужей.) Идя по дорожке бегового тренажера, эти женщины смогли нести на голове тяжесть, равную 20 % их собственного веса, и это не стоило им никаких дополнительных метаболических затрат. Если же организм шел на такие затраты, эти женщины могли переносить на голове груз, масса которого составляла 60 %, а иногда и 80 % веса их тела. Когда кенийки стояли на дорожке тренажера неподвижно, для их организма не имело никакого значения, имеется ли у них на голове какой-то груз, пусть даже очень большой. Казалось, когда они не двигаются, их организм не затрачивает никакой дополнительной энергии на поддержку груза. Хеглунд показал, что кости (и тела в целом) африканок со временем постепенно приспособились к тому, чтобы идеально поддерживать вес головы (и того, что на ней) наиболее эффективным способом с точки зрения расходования энергии. Возникла особая структура, выстроенная так, чтобы груз как можно меньше давил на мышцы. В ходе последующих экспериментов Хеглунд сравнил метаболические процессы этих женщин с данными чрезвычайно масштабного исследования, проведенного в американской армии: ученые измеряли метаболические затраты сотен новобранцев на переноску рюкзаков на спине. Как выяснилось, небольшие рюкзаки новобранцы-мужчины могли нести с меньшими метаболическими затратами (а значит, и прилагая меньше усилий), чем кенийки, которых изучал Хеглунд. Однако при повышении нагрузки это преимущество военных исчезало. Когда вес груза достигал 60 % массы тела, жительницы Кении несли эту тяжесть почти вдвое эффективнее бойцов. Заинтригованный этими данными, Хеглунд в течение нескольких лет еще дважды возвращался в Кению (он мог не беспокоиться о финансировании этих поездок благодаря Фулбрайтовской стипендии и грантам, полученным от американской армии), чтобы понять, какие же особенности механики организма дают возможность кенийкам так эффективно переносить тяжести. Он выяснил, что разгадка тайны — в маятника-образных движениях женщин, идущих с грузом на голове. Идеальный маятник, качающийся взад-вперед без всяких помех, сохраняет 100 % своей энергии: первое движение вниз под действием гравитации сначала преобразуется в потенциальную энергию по мере того, как под действием этого импульса груз, прикрепленный к нити маятника, движется по направлению к верхней точке дуги, которую этот груз описывает. Затем эта энергия высвобождается как кинетическая, и гравитация устремляет груз в противоположном направлении. Он снова достигает высшей точки (уже с другой стороны), и весь цикл повторяется. Но когда большинство из нас идет на оптимальной для себя скорости, мы при каждом шаге теряем 40 % нашей энергии в двух точках — там, где нога занимает самое верхнее положение, и там, где ступня соприкасается с землей. Африканки движутся точно так же, но, когда они добавляют в эту систему дополнительный груз, их походка определенным образом меняется (хотя сами женщины не могли этого объяснить, да и изменения не видны невооруженным глазом), тем самым позволяя им расходовать около 80 % энергии на движение вперед. Груз при этом, казалось, движется более плавно, особенно в низшей точке шага (когда нога соприкасается с землей). Когда женщины шли с грузом, лежащим на верхней части тела, их тело перестраивало эту схему так, чтобы нагрузка эффективно распределялась и чтобы человек мог двигаться вперед с минимальными усилиями.